Le changement climatique affecte les mammifères marins de façon directe et indirecte. Leurs habitats sont transformés et leurs ressources alimentaires diminuent.

Les gaz à effet de serre sont principalement issus de la combustion des énergies fossiles que sont le pétrole, le gaz et le charbon. Un partie de ces gaz est absorbée par l'océan, ce qui a pour effet d'acidifier le milieu marin et d'augmenter la température de l'eau.
Ce processus d'acidification pourrait affecter gravement les populations de mammifères marins en raison de son impact sur leurs proies. Beaucoup d’invertébrés, comme les calmars ou le zooplancton qui est constitué de micro-organismes à la base de la chaine alimentaire, fabriquent et consolident leur squelette interne ou externe (coquille) via des processus chimiques complexes. L’acidification des océans bouleverse ces processus et fragilise ces structures, diminuant ainsi le taux de survie et de reproduction de ces espèces. Leurs populations diminuent et donc le stock de proies des mammifères marins également. 

Pour fuir la hausse de température de l'eau, certaines espèces se déplaceraient vers des eaux moins chaudes. Le krill par exemple, alimentation principale de certaines baleines, se rapprocherait de la péninsule arctique. En d'autres termes, l'étendue de la zone d'alimentation des baleines se réduirait. La changement climatique aurait également une influence sur la reproduction du krill, empêchant de réunir suffisamment régulièrement les conditions favorables à cette reproduction. Le stock alimentaire de certains cétacés serait donc lui aussi réduit.

En conséquence, les mammifères marins pourraient être amenés, dans certains cas, à parcourir entre 200 km et 500 km supplémentaires afin de trouver leur nourriture. En découle une plus grande dépense énergétique qui pourrait affaiblir leurs chances de se reproduire. La baleine à bosse par exemple ne met bas que lorsque les conditions pour alimenter son petit sont favorables.

Les mammifères marins, comme tous les êtres vivants, se répartissent à la surface du globe selon des barrières géographiques définies par les différences thermiques entre les masses d’eau (créant notamment les grands courants marins) et par des conditions environnementales liées à leur cycle de vie. Si ces conditions changent, alors leur répartition et leurs déplacements en seront affectés. Ainsi, toute une chaîne alimentaire peut être déséquilibrée, du plancton aux mammifères marins, par le remaniement des courants marins, de la température et la salinité des océans, et par l’élévation du niveau de la mer notamment dû à la fonte des glaces.

Cette augmentation de température pourrait aussi perturber la reproduction des mammifères marins, diminuant les chances de procréation en ne leur fournissant pas les conditions optimales et en modifiant leurs habitats de reproduction. Certaines espèces comme la baleine à bosse ont des zones d'alimentation et de reproduction différentes et effectuent de longues migrations pour rallier l'une à l'autre. Mais si elles aiment se reproduire dans les eaux chaudes des Antilles, elles ne tolèreront pas une température supérieure à 28°C. Elles pourraient alors se disperser vers de nouveaux sites de reproduction.

Certaines espèces ou populations pourraient disparaitre des eaux chaudes des Antilles. Cela aurait un impact socio-économique important puisque ces animaux suscitent l'intérêt des touristes.